(57)【要約】【課題】周辺回路の配線部の保護耐性を確保しながら、薄型化を実現することが可能な固体撮像素子の製造方法を提供する。【解決手段】ＢＰＳＧ膜８の上に層内レンズ材料膜９を形成して平坦化した後、層内レンズ材料膜９表面のうち、フォトダイオードの開口部上方の領域と、配線部１１上方の領域とにレジストＲを形成しておき、この状態でレジストＲと層内レンズ材料膜９を共にドライエッチングして上凸レンズ９ｂを形成する。【選択図】図３
2006344656.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された多数の光電変換素子と、前記光電変換素子に光を集光するための層内レンズとを有する固体撮像素子の製造方法であって、
前記半導体基板上に周辺回路の配線部を形成後、前記半導体基板上方に平坦な層内レンズ材料膜を形成する層内レンズ材料膜形成工程と、
前記層内レンズ材料膜上にレジストのパターンを形成するレジストパターン形成工程と、
前記レジストと共に前記層内レンズ材料膜をエッチングし、前記層内レンズ材料膜に前記レジストを転写して前記層内レンズを形成する層内レンズ形成工程とを含み、
前記レジストパターン形成工程では、前記配線部上の層内レンズ材料膜の上にもレジストが形成されるように前記レジストパターンを形成する固体撮像素子の製造方法。
【請求項２】
半導体基板上に形成された多数の光電変換素子と、前記光電変換素子に光を集光するための層内レンズとを有する固体撮像素子であって、
前記層内レンズは、前記多数の光電変換素子上方に形成された層内レンズ材料膜のうち、前記光電変換素子上方で上方向に突出した凸状のレンズ部分であり、
前記固体撮像素子の周辺回路の配線部上には、前記層内レンズ材料膜が形成され、
前記層内レンズの形成面が、前記配線部上の層内レンズ材料膜の頂部よりも低い位置にある固体撮像素子。
【請求項３】
請求項２記載の固体撮像素子であって、
前記層内レンズの頂部が、前記配線部上の層内レンズ材料膜の頂部と略一致する固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板上に形成された多数の光電変換素子と、前記光電変換素子に光を集光するための層内レンズとを有する固体撮像素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ型やＭＯＳ型の固体撮像素子においては、感度向上のために、カラーフィルタと光電変換素子との間に設けられた積層構造の内部に層内レンズを形成する構成が採用されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
図５は、層内レンズを有する従来のＣＣＤ型固体撮像素子の製造工程を説明するための工程図である。
図５（ａ）に示すように、ｎ型のシリコン基板１表面部にｐウェル層４を形成し、この上にゲート酸化膜２を形成する。次に、画素部のゲート酸化膜２上に、例えばポリシリコンからなる第１の電極３ａを形成し、この周囲に絶縁膜５を形成する。次に、画素部のゲート酸化膜２上に、例えばポリシリコンからなる第２の電極３ｂを形成すると共に、同じポリシリコンを用いて、周辺回路部のゲート酸化膜２上に、駆動回路等の周辺回路３ｃを形成する。次に、第１の電極３ａと第２の電極３ｂと周辺回路３ｃの上方に絶縁膜６を形成し、その上に例えばタングステンからなる遮光膜７のパターンを形成する。
【０００４】
尚、図示していないが、画素部のｐウェル層４内部には、光電変換素子、垂直転送チャネル、水平転送チャネル、チャネルストップ、及び電荷読み出し領域等が形成される。例えば、隣接する遮光膜７同士の間の下方のｐウェル層４内部には光電変換素子が形成されている。第１の電極３ａと第２の電極３ｂは、光電変換素子に蓄積された電荷を垂直転送チャネルに読み出して転送するための電極である。
【０００５】
次に、遮光膜７の上に、リン（Ｐ）およびボロン（Ｂ）を所定の濃度に設定したＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏ−ｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ）膜８を例えばＣＶＤ法によって形成し、これをリフロー処理する。次に、周辺回路部のＢＰＳＧ膜８上に、電極パッドと、電極パッドと周辺回路３ｃとの接続配線等を含む配線部１１を、例えばアルミニウムによって形成する。
【０００６】
次に、シリコン窒化膜等の高屈折率材料から成る層内レンズ材料膜９を、ＢＰＳＧ膜８と配線部１１の上に、例えばプラズマＣＶＤ法によって形成し、この層内レンズ材料膜９の表面を平坦化する。これにより、光電変換素子上方には、光電変換素子に向かう下方向に突出した凸レンズ形状の下凸レンズ９ａが形成される。配線部１１上に形成された層内レンズ材料膜９は、配線部１１を保護する保護膜として機能する。
【０００７】
次に、層内レンズ材料膜９上にレジストＲを所定の厚さで塗布し、画素部の光電変換素子上方の領域にレジストＲが残るようにパターニングを行い、その後、リフロー処理を行う。これにより、図５（ｂ）に示すように、パターニングされたレジストＲが上方向に突出した凸レンズ形状になる。
【０００８】
次に、レジストＲと層内レンズ材料膜９を共にドライエッチング（エッチバック）する。このとき、レジストＲ及び層内レンズ材料膜９に対して、所定のエッチング選択比を設定することによって、画素部では、図５（ｃ）に示すように、層内レンズ材料膜９の表面が凸レンズ形状のレジストＲと同様の形状にエッチングされて、レジストＲの凸レンズ形状が層内レンズ材料膜９に転写される。これにより、ｐウェル層４内の各光電変換素子の上方には、光電変換素子の上方向に突出した凸レンズ形状の上凸レンズ９ｂが形成される。尚、ドライエッチング時、配線部１１上の層内レンズ材料膜９も削られ、その厚みは薄くなる。
【０００９】
次に、平坦化膜を形成し、この上にカラーフィルタを形成し、この上に平坦化膜を介してマイクロレンズを形成する。このように製造された固体撮像素子では、最上層のマイクロレンズ、上凸レンズ９ｂ、及び下凸レンズ９ａによって、光電変換素子に光を効率的に集光することが可能となっている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−２５３５７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述した従来の製造方法では、上凸レンズ９ｂを形成する際のエッチング時に、配線部１１上の層内レンズ材料膜９も併せて削られてしまうため、図５（ａ）の段階で配線部１１上に形成すべき層内レンズ材料膜９の厚さは、エッチング時に削られてしまう分の厚さ（レジストＲの厚さに等しい）と、配線部１１の保護耐性を確保するのに必要な厚さとを合わせた厚さにしておく必要がある。光電変換素子から上凸レンズ９ｂまでの距離は、エッチング前の層内レンズ材料９の厚さが厚くなる程大きくなるため、従来の方法では、配線部１１の保護耐性を確保しながら、固体撮像素子を薄型化することは難しかった。
【００１２】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、周辺回路の配線部の保護耐性を確保しながら、薄型化を実現することが可能な固体撮像素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の固体撮像素子の製造方法は、半導体基板上に形成された多数の光電変換素子と、前記光電変換素子に光を集光するための層内レンズとを有する固体撮像素子の製造方法であって、前記半導体基板上に周辺回路の配線部を形成後、前記半導体基板上方に平坦な層内レンズ材料膜を形成する層内レンズ材料膜形成工程と、前記層内レンズ材料膜上にレジストのパターンを形成するレジストパターン形成工程と、前記レジストと共に前記層内レンズ材料膜をエッチングし、前記層内レンズ材料膜に前記レジストを転写して前記層内レンズを形成する層内レンズ形成工程とを含み、前記レジストパターン形成工程では、前記配線部上の層内レンズ材料膜の上にもレジストが形成されるように前記レジストパターンを形成する。
【００１４】
この方法により、エッチング時に配線部上の層内レンズ材料膜が削られるのを防止することができる。このため、例えば、配線部上の層内レンズ材料膜の厚みを、配線部の保護耐性を確保するのに必要な厚みにしておくことで、配線部の保護耐性を確保しながら、固体撮像素子の薄型化が可能となる。
【００１５】
本発明の固体撮像素子は、半導体基板上に形成された多数の光電変換素子と、前記光電変換素子に光を集光するための層内レンズとを有する固体撮像素子であって、前記層内レンズは、前記多数の光電変換素子上方に形成された層内レンズ材料膜のうち、前記光電変換素子上方で上方向に突出した凸状のレンズ部分であり、前記固体撮像素子の周辺回路の配線部上には、前記層内レンズ材料膜が形成され、前記層内レンズの形成面が、前記配線部上の層内レンズ材料膜の頂部よりも低い位置にある。
【００１６】
本発明の固体撮像素子は、前記層内レンズの頂部が、前記配線部上の層内レンズ材料膜の頂部と略一致する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、周辺回路の配線部の保護耐性を確保しながら、薄型化を実現することが可能な固体撮像素子の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子の平面模式図である。図２は、図１のＡ−Ａ線断面模式図である。
図１，２に示す固体撮像素子は、ｎ型のシリコン基板１表面部に光電変換素子であるフォトダイオード３０が多数形成され、各フォトダイオード３０で発生した信号電荷を列方向（図１中のＹ方向）に転送するための電荷転送部が、列方向に配設された複数のフォトダイオード３０からなる複数のフォトダイオード列の間を蛇行して形成されている。
【００１９】
電荷転送部は、複数のフォトダイオード列の各々に対応してシリコン基板１表面部の列方向に形成された複数本の電荷転送チャネル３３と、電荷転送チャネル３３の上層に形成された単層電極構造の電荷転送電極３（第１の電極３ａ、第２の電極３ｂ）と、フォトダイオード３０で発生した電荷を電荷転送チャネル３３に読み出すための電荷読み出し領域（ｔｇ）３４とを含む。電荷転送電極３は、行方向（図１中のＸ方向）に配設された複数のフォトダイオード３０からなる複数のフォトダイオード行の間を全体として行方向に延在する蛇行形状となっている。
【００２０】
図２に示すように、シリコン基板１の表面部にはｐウェル層４が形成され、ｐウェル層４の表面部にはｐ領域３０ａが形成され、ｐ領域３０ａの下にはｎ領域３０ｂが形成されている。ｐ領域３０ａとｎ領域３０ｂはフォトダイオード３０を構成し、フォトダイオード３０で発生した信号電荷は、ｎ領域３０ｂに蓄積される。
【００２１】
ｐ領域３０ａの右側には、少し離間してｎ領域からなる電荷転送チャネル３３が形成されている。ｎ領域３０ｂと電荷転送チャネル３３の間のｐウェル層４には電荷読み出し領域３４が形成されている。
【００２２】
シリコン基板１表面にはゲート酸化膜２が形成され、電荷読み出し領域３４と電荷転送チャネル３３の上には、ゲート酸化膜２を介して、第１の電極３ａと第２の電極３ｂが形成されている。第１の電極３ａと第２の電極３ｂの間は絶縁膜５によって絶縁されている。垂直転送チャネル３３の右側にはｐ＋領域からなるチャネルストップ３２が設けられ、隣接するフォトダイオード３０との分離が図られる。
【００２３】
電荷転送電極３の周囲には酸化シリコンからなる絶縁膜６が形成され、その上に遮光膜７のパターンが形成されている。遮光膜７は、各フォトダイオード３０の開口部分を除いて形成されている。遮光膜７の上にはＢＰＳＧ膜８が形成されている。ＢＰＳＧ膜８は、遮光膜７の形状を反映した形状となっており、各フォトダイオード３０の開口部分において下方向に窪んだ形状となっている。
【００２４】
ＢＰＳＧ膜８の上にはＢＰＳＧ膜８とは屈折率が異なる層内レンズ材料膜９が形成されている。層内レンズ材料膜９の下面は、ＢＰＳＧ膜８の窪み部分で下方向に突出しており、この突出部分が、下方向に突出した下凸レンズ９ａを構成している。又、層内レンズ材料膜９の上面は、各フォトダイオード３０の開口の上方で上方向に突出しており、この突出部分が、上方向に突出した上凸レンズ９ｂを構成している。上凸レンズ９ｂは、特許請求の範囲の層内レンズに該当する。
【００２５】
層内レンズ材料膜９の上には、層内レンズ材料膜９の屈折率とは異なる、透明樹脂等からなる平坦化膜１０が形成され、この上にカラーフィルタ５０が形成され、この上に絶縁性の透明樹脂等からなる平坦化膜６１を介してマイクロレンズ６０が形成されている。図２に示す固体撮像素子は、マイクロレンズ６０、上凸レンズ９ｂ、及び下凸レンズ９ａによってフォトダイオード３０に光を効率的に集光することが可能となっている。
【００２６】
本実施形態の固体撮像素子は、各フォトダイオード３０で発生した信号電荷がｎ領域３０ｂに蓄積され、ここに蓄積された信号電荷が、電荷転送チャネル３３によって列方向に転送され、転送された信号電荷が図示しない電荷転送路（ＨＣＣＤ）によって行方向に転送され、転送された信号電荷に応じた色信号が図示しないアンプから出力される構成である。
【００２７】
次に上述した固体撮像素子の製造工程について図３を参照して説明する。図３は、図２に示す固体撮像素子の製造工程を説明するための工程図である。図３では、フォトダイオード、垂直転送部、水平転送部、及びアンプ等が形成される画素部の工程図と、固体撮像素子の駆動回路等の周辺回路、電極パッド、及び周辺回路と電極パッドとの接続配線等が形成される周辺回路部の工程図を併せて図示している。又、図３において図２と同様の構成には同一符号を付してある。
【００２８】
図３（ａ）に示すように、画素部のゲート酸化膜２上に、例えばポリシリコンからなる第１の電極３ａを形成し、この周囲に絶縁膜５を形成する。次に、画素部のゲート酸化膜２上に、例えばポリシリコンからなる第２の電極３ｂを形成すると共に、同じポリシリコンを用いて、周辺回路部のゲート酸化膜２上に駆動回路等の周辺回路３ｃを形成する。
【００２９】
次に、第１の電極３ａと第２の電極３ｂと周辺回路３ｃの上方に酸化シリコンからなる絶縁膜６を形成し、その上に例えばタングステンからなる遮光膜７のパターンを形成する。次に、遮光膜７の上に、リン（Ｐ）およびボロン（Ｂ）を所定の濃度に設定したＢＰＳＧ膜８を例えばＣＶＤ法によって形成し、これをリフロー処理する。
【００３０】
次に、周辺回路部のＢＰＳＧ膜８上に、電極パッドと、電極パッドと周辺回路３ｃとの接続配線等を含む配線部１１を、例えばアルミニウムによって形成する。次に、シリコン窒化膜等の高屈折率材料から成る層内レンズ材料膜９を、画素部のＢＰＳＧ膜８と配線部１１の上に、例えばプラズマＣＶＤ法によって形成し、この層内レンズ材料膜９の表面を平坦化する。これにより、フォトダイオード３０上方には、下方向に突出した凸レンズ形状の下凸レンズ９ａが形成される。配線部１１上に形成された層内レンズ材料膜９は、配線部１１を保護する保護膜として機能する。配線部１１上に形成された層内レンズ材料膜９の厚さは、図５（ａ）の場合と同じとする。尚、ここまでの製造工程は、従来の固体撮像素子と同様である。
【００３１】
次に、層内レンズ材料膜９上にレジストＲを所定の厚さで塗布し、フォトダイオード３０の開口部上方の領域と、配線部１１上方の領域とにレジストＲが残るようにパターニングを行い、その後、リフロー処理を行う。これにより、図３（ｂ）に示すように、フォトダイオード３０上方には、上方向に突出した凸レンズ形状のレジストＲが形成された状態になる。又、配線部１１上には、配線部１１を覆うように、レジストＲが形成された状態になる。尚、リフロー後のレジストＲの頂部の高さは全て一致しているものとする。
【００３２】
次に、レジストＲと層内レンズ材料膜９を共にドライエッチングする。このとき、レジストＲ及び層内レンズ材料膜９に対して、所定のエッチング選択比を設定することによって、画素部では、図３（ｃ）に示すように、層内レンズ材料膜９の表面が凸レンズ形状のレジストＲと同様の形状にエッチングされて、レジストＲの凸レンズ形状が層内レンズ材料膜９に転写される。一方、周辺回路部では、配線部１１上方のレジストＲだけが削られるため、配線部１１上の層内レンズ材料膜９の厚さは変化しない。
【００３３】
このエッチング処理により、ｐウェル層４内の各フォトダイオード３０の上方では、層内レンズ材料膜９が、その平坦面から上方向に突出した凸レンズ形状となり、この凸レンズ形状の部分が上凸レンズ９ｂを構成する。
この状態で、上凸レンズ９ｂの形成面（画素部の層内レンズ材料膜９の平坦面）は、配線部１１上の層内レンズ材料膜９の頂部よりも低くなっている。又、上凸レンズ９ｂの頂部と、配線部１１上の層内レンズ材料膜９の頂部とは、その高さがほぼ一致している。
【００３４】
次に、平坦化膜１０を形成し、この上にカラーフィルタ５０を形成し、この上に平坦化膜６１を介してマイクロレンズ６０を形成する。
【００３５】
以上のように、本実施形態の製造方法によれば、層内レンズ材料膜９を形成して平坦化した後、層内レンズ材料膜９表面のうち、フォトダイオード３０の開口部上方の領域と、配線部１１上方の領域とにレジストＲを形成しておき、この状態でエッチングを行って上凸レンズ９ｂを形成するため、エッチング時に配線部１１上の層内レンズ材料膜９が削られるのを防ぐことができる。
【００３６】
図３の例と図５の例を比較すると、エッチング前の層内レンズ材料膜９の厚さはどちらも一緒であるため、最終的な画素部の厚さはどちらも一緒である。しかし、配線部１１上の層内レンズ材料膜９の厚さは、図５の例よりも図３の例の方が厚くなっている。つまり、本実施形態の製造方法によれば、画素部の厚さを従来と同様に維持しながら、配線部１１上の層内レンズ材料膜９の厚さだけを厚くすることが可能であり、固体撮像素子の厚みを増加させることなく、配線部１１の保護耐性を強くすることができる。
【００３７】
尚、図３の例では、エッチング前の配線部１１上の層内レンズ材料膜９の厚さを、図５の例と同じ（レジストＲの厚さと、配線部１１の保護耐性を確保するのに必要な厚さとを併せた厚さ）にしているが、本実施形態の製造方法によれば、配線部１１上の層内レンズ材料膜９は削られないので、エッチング前の配線部１１上の層内レンズ材料膜９の厚さを、図４（ａ）に示すように、配線部１１の保護耐性を確保するのに必要な厚さにしておくことができる。
【００３８】
そして、図４（ａ）の状態から、図４（ｂ）に示すようにレジストＲを形成し、レジストＲと層内レンズ材料膜９を共にエッチングして、図４（ｃ）に示すように上凸レンズ９ｂを形成する。この場合、図４（ａ）で形成した層内レンズ材料膜９の厚みが図３（ａ）の場合よりも薄いため、図３の例に比べて画素部の厚みを薄くすることができる。又、図４の例では、画素部の厚さが薄くなっても、配線部１１の保護耐性は確保されている。このように、本実施形態の製造方法によれば、配線部１１の保護耐性を確保しながら、薄型化を実現することが可能である。
【００３９】
以上のような方法で製造した固体撮像素子は、図３及び図４に示すように、上凸レンズ９ｂの形成面が従来よりも低くなっている。このため、画素部を従来よりも薄くできるという効果が得られる。
【００４０】
又、以上のような方法で製造した固体撮像素子は、図３及び図４に示すように、上凸レンズ９ｂの頂部と画素部１１上の層内レンズ材料膜９の頂部が略一致している。このため、上凸レンズ９ｂの頂部が画素部１１上の層内レンズ材料膜９の頂部よりも高い位置にある従来に比べ、画素部を更に薄くできるという効果が得られる。
【００４１】
尚、上述した固体撮像素子は、下凸レンズ９ａを有する構成としたが、下凸レンズ９ａを設けない構成であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子の平面模式図
【図２】図１のＡ−Ａ線断面模式図
【図３】図２に示す固体撮像素子の製造工程を説明するための工程図
【図４】図２に示す固体撮像素子の製造工程を説明するための工程図
【図５】層内レンズを有する従来のＣＣＤ型固体撮像素子の製造工程を説明するための工程図
【符号の説明】
【００４３】
１  シリコン基板
２  ゲート酸化膜
３  電荷転送電極
３ｃ  周辺回路
４  ｐウェル層
絶縁膜
７  遮光膜
８  ＢＰＳＧ膜
９  層内レンズ材料膜
９ａ  下凸レンズ
９ｂ  上凸レンズ
１０  平坦化膜
１１  配線部
３０  フォトダイオード
Ｒ  レジスト
【図１】
2006344656.tif 000003
【図２】
2006344656.tif 000004
【図３】
2006344656.tif 000005
【図４】
2006344656.tif 000006
【図５】
2006344656.tif 000007